沈曉暉

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

0 引言

發(fā)電機(jī)定子繞組的單相接地是發(fā)電機(jī)最常見的一種故障，由于大型發(fā)電機(jī)定子繞組對地電容較大，當(dāng)發(fā)生接地故障時會產(chǎn)生較大的接地電流，將嚴(yán)重危及對地絕緣，甚至可能造成非接地相相繼發(fā)生接地故障，從而造成相間接地短路，損害發(fā)電機(jī)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以發(fā)電機(jī)保護(hù)必須配置定子接地保護(hù)，在接地故障發(fā)生時迅速發(fā)出報警信號或跳閘信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)組和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

大型發(fā)電機(jī)組對定子接地保護(hù)的可靠性和靈敏度要求較高，一般采用一套注入式定子接地保護(hù)和一套雙頻式定子接地保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)大機(jī)組定子接地保護(hù)不同原理保護(hù)的雙重化配置，避免大型機(jī)組突然跳閘沖擊電網(wǎng)的穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3-4]。

下面基于某650 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組的參數(shù)，介紹了因發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器柜更換引起的定子接地保護(hù)定值重新整定的過程，并通過現(xiàn)場調(diào)試，驗證了整定值的準(zhǔn)確性和保護(hù)裝置的可靠性，為同類型保護(hù)整定計算、發(fā)電機(jī)相關(guān)設(shè)備選型等研究提供工程借鑒。

1 定子接地保護(hù)的配置方案

該發(fā)電機(jī)組采用許繼WFB800A 系列發(fā)變組保護(hù)，發(fā)電機(jī)保護(hù)A 柜配置一套外加20 Hz 電源定子接地保護(hù)，發(fā)電機(jī)保護(hù)B 柜配置一套基波零序電壓和三次諧波電壓組成的雙頻式定子(100 %)接地保護(hù)，構(gòu)成雙重化配置。

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用接地變壓器高阻接地方式，注入式定子接地保護(hù)在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的二次側(cè)繞組兩端注入低頻電源信號。正常運(yùn)行時，低頻注入回路對地開路，只有微弱的定子對地電容電流；當(dāng)發(fā)生定子接地故障時，保護(hù)裝置通過檢測注入的低頻電壓和電流信號，可準(zhǔn)確計算出接地故障電阻的阻值。

定子接地保護(hù)接線如圖1 所示。機(jī)組以發(fā)電機(jī)-變壓器單元接線接入500 kV 線路，發(fā)電機(jī)經(jīng)出口斷路器與主變、高廠變相連，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變壓器的高阻接地方式。

圖1 定子接地保護(hù)配置

2 定子接地保護(hù)的整定計算

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器變比nTV為20/0.866/0.173 kV；出口斷路器每相對地電容Cbak為0.392 μF；發(fā)電機(jī)定子繞組每相對地電容Cg為0.244 μF；主變低壓側(cè)繞組每相對地電容Ct為0.003 96 μF；高廠變高壓繞組每相對地電容Ce為0.001 75 μF；機(jī)端其他附件每相對地電容Cf為0.001 μF，主變高低壓繞組每相耦合電容CM為0.009 41 μF。

2.1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻計算

為限制單相接地故障切斷后產(chǎn)生弧光接地過電壓，接地電阻(一次值)的取值要滿足[5]：

式中，R'N為接地變原邊電阻；ω=2πf，為角速度；CgΣ為發(fā)電機(jī)及機(jī)端外接元件每相對地總電容：CgΣ=Cbak+Cg+Ct+Ce+Cf=0.642 71 μF。

則：

由變壓器原理，可計算接地變副邊電阻大小Rn：

現(xiàn)場電阻選型阻值為2.48 Ω，滿足要求。

按照機(jī)端發(fā)生金屬性單相接地故障，接地變TN 中流過工頻電流計算副邊電阻功率：

式中，Krel為可靠系數(shù)，取1.1；PR為中性點(diǎn)接地電阻功率；Ue為發(fā)電機(jī)額定電壓。

2.2 外加電流互感器更換

現(xiàn)有發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變二次側(cè)接地電阻為6.5 Ω，接地故障產(chǎn)生中性點(diǎn)電壓全偏移時，流過接地電阻的工頻電流約為77 A；15 %電壓偏移時流過的工頻電流約12 A。更換發(fā)電機(jī)出口斷路器后，因?qū)Φ仉娙菰黾?，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)二次側(cè)接地電阻調(diào)整為2.48 Ω，100 %電壓偏移時流過接地電阻的工頻電流約202 A，15 %電壓偏移時流過接地電阻的工頻電流約30 A。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變0.866 kV 側(cè)配置電流互感器，接地故障產(chǎn)生中性點(diǎn)電壓全偏移時，接地變壓器二次側(cè)約為500 V，該電流互感器在保護(hù)中用于測量20 Hz 電流和工頻電流。原工程電流互感器二次側(cè)采用5 A，為適用于寬頻范圍，選擇較大尺寸的電流互感器，利于降低磁密；因為次級采用5 A，而電流互感器距離發(fā)電機(jī)保護(hù)柜有一定距離，為滿足全偏移約202 A 時的電流采集精度，適當(dāng)加大電流互感器的額定伏安負(fù)載。

經(jīng)與發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)廠家對保護(hù)和測量精度的確認(rèn)，電流互感器采用200/5 A，50 VA，0.5 級的測量級CT。

2.3 外加20 Hz 定子接地保護(hù)整定計算

2.3.1 接地電阻一次高定值(報警段)整定

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗，20 Hz 接地電阻高定值取RE.h.set=30 kΩ。高定值段一般延時1～5 s 發(fā)告警信號，這里取延時5 s 動作于信號。

2.3.2 接地電阻一次低定值(跳閘段)整定

按距發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)20 %發(fā)生一點(diǎn)接地，接地電流不大于安全接地電流Isafe=1 A 整定。

接地電阻按式(6)求解，α=0.2：

一般接地電阻定值可取1 ～5 kΩ?？紤]保護(hù)測量精度，這里取RE.l.set=2 kΩ。

低定值段一般延時0.3～1.0 s，動作于停機(jī)，這里取延時1 s 動作于停機(jī)。

2.3.3 零序電流動作值整定

零序電流動作值I0.set按距發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)10 %～20 %范圍的定子繞組接地故障電流整定。

式中，α一般取10 %～20 %；Zn為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變二次側(cè)負(fù)載電阻。

這里取α=0.15，則：I0.set=0.76 A。

定子接地零序電流動作時限取0.3 ～1.0 s，這里取0.3 s，動作于停機(jī)。

2.4 100 %定子接地保護(hù)整定計算

2.4.1 基波零序電壓低定值

基波零序電壓低定值動作電壓U0.L.op按照躲過主變高壓側(cè)耦合到發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)變二次側(cè)的電壓整定，延時可取0.3～1 s。

式中，U0n為機(jī)端單相金屬性接地時中性點(diǎn)或機(jī)端的零序電壓(二次值)。

基波零序電壓低定值U0.L.op取10 V，高于主變高壓側(cè)接地故障耦合到機(jī)端的零序電壓，從而保證高壓側(cè)接地短路不會引起基波零序過電壓保護(hù)誤動作；延時t0.L.op=1 s，動作于停機(jī)。

2.4.2 基波零序電壓高定值

由于基波零序電壓低定值動作于跳機(jī)，所以基波零序電壓高定值實(shí)際上沒有作用，可選擇退出。高定值段的動作電壓，應(yīng)可靠躲過高壓側(cè)接地短路零序電壓傳遞至發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)變二次側(cè)的電壓，可取(15 %～25 %)U0n，延時可取0.3～1.0 s。

按躲過傳遞過電壓，取U0.H.op=15 V，延時t0.H.op=1 s，動作于停機(jī)。

2.4.3 三次諧波電壓單相接地保護(hù)三次諧波電壓接地保護(hù)動作判據(jù)為：

諧波比系數(shù)：

三次諧波比系數(shù)按照發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前后的電壓比值來計算整定，并網(wǎng)后諧波比系數(shù)應(yīng)大于并網(wǎng)前諧波比系數(shù)，并有一定的裕度，保證并網(wǎng)前該元件不誤動作[6]。

3 定子接地保護(hù)的現(xiàn)場調(diào)試

3.1 外加20 Hz 電源定子接地保護(hù)參數(shù)實(shí)測

由于在中性點(diǎn)接地變壓器、發(fā)電機(jī)出口斷路器兩側(cè)增加了較大的電容，使整個系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生了很大的變化，為充分考慮接地變壓器漏阻抗、系統(tǒng)電容對測量誤差的影響，需要實(shí)際測量接地變壓器的漏阻抗、接地變壓器的激磁阻抗、帶發(fā)電機(jī)空載測電容的阻抗并重新整定。

CT 變比為nTA=200/5，接地變壓器變比為23.12，分壓器變比nV=2，20 Hz 電源輸出26 V。啟動電壓整定為0.002 V，啟動電流整為0.001 A。

3.1.1 測接地變壓器的激磁阻抗

接地變空載(不帶發(fā)電機(jī))。給20 Hz電源送電，讀取保護(hù)裝置中U˙20，I˙20，如表1 所示。

表1 接地變激磁阻抗測試數(shù)據(jù)

實(shí)測電壓與電流夾角大約為52°。根據(jù)式(14)將二次激磁阻抗測試數(shù)據(jù)折算至一次，計算接地變壓器的激磁阻抗(一次值，不帶發(fā)電機(jī))平均值。

將計算結(jié)果的實(shí)部和虛部分別整定進(jìn)參數(shù)Rm和Xm。

3.1.2 測接地變壓器的漏阻抗

把接地變壓器與發(fā)電機(jī)相連的刀閘斷開，在刀閘下端(接地變進(jìn)端)用接地線接地(接地變一次側(cè)短路)。給20 Hz 電源送電，讀取保護(hù)裝置中數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 接地變漏阻抗測試數(shù)據(jù)

實(shí)測電壓與電流夾角大約為44°。根據(jù)式(15)將二次漏阻抗測試數(shù)據(jù)折算至一次，計算接地變壓器的漏阻抗(一次值)平均值。

將計算結(jié)果的實(shí)部和虛部分別整定進(jìn)參數(shù)Rk和Xk。

3.1.3 帶發(fā)電機(jī)空載測電容的容抗

將Rk，Xk，Rm，Xm的參數(shù)整定完畢以后，把接地變刀閘合上，發(fā)電機(jī)空載。給20 Hz 電源送電，讀取保護(hù)裝置中電壓與電流夾角大約為(-90°～-85°)，實(shí)測電壓與電流角度-98°，讀取6 次發(fā)電機(jī)容抗平均值，測試數(shù)據(jù)表3 所示。

表3 發(fā)電機(jī)容抗測試數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)測值整定后，實(shí)測接地電阻誤差較大，分析可能是由于接地變壓器漏阻抗、激磁阻抗誤差，模擬量相角的誤差與發(fā)電機(jī)對地電容疊加放大造成的。將Rc，Xc按經(jīng)驗重新調(diào)整后實(shí)測電阻誤差降低。

3.1.4 模擬定子接地測試保護(hù)裝置測量準(zhǔn)確性

將上述參數(shù)整定完畢后，把接地變壓器與發(fā)電機(jī)相連的刀閘合上，在刀閘的下端加入一個已知的電阻接地，帶發(fā)電機(jī)靜止工況下模擬接地故障，以此驗證保護(hù)裝置測量的準(zhǔn)確性。在不同接地電阻下測量的實(shí)際電阻值如表4 所示。

表4 定子模擬接地故障測試結(jié)果

測試結(jié)果表明：接地電阻越小，保護(hù)測量精度越好，在20 Hz 接地電阻低定值2 kΩ 以下，保護(hù)測量精度較高，能夠準(zhǔn)確判斷出定子繞組是否接地并準(zhǔn)確動作。同時在高定值30 kΩ 區(qū)域，由于測量精度影響，整定延時5 s 能有效避免誤發(fā)報警。

3.2 三次諧波電壓比系數(shù)實(shí)測

在并網(wǎng)前從保護(hù)裝置上讀得實(shí)時讀數(shù)U3N=0.728 V，U3S=0.874 V。根據(jù)式(13)，Krel取值為1.3，得到并網(wǎng)后諧波電壓比系數(shù)：

并網(wǎng)后從發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置上讀得電壓實(shí)時讀數(shù)，U3N=1.169 V，U3S=0.900 V。Krel取值為1.3，得到并網(wǎng)后諧波比系數(shù)K'=1。這同時也符合發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時，其中性點(diǎn)部位的三次諧波電壓UN3要比機(jī)端部位的三次諧波電壓US3大的實(shí)際運(yùn)行工況。

4 結(jié)束語

對于大型汽輪發(fā)電機(jī)組，合理選擇中性點(diǎn)接地電阻值、接地變二次側(cè)電流互感器參數(shù)，并按整定導(dǎo)則正確整定定子接地保護(hù)動作定值和延時定值，對于保護(hù)發(fā)電機(jī)具有極其重要的意義。以上介紹了某650 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組由于發(fā)電機(jī)出口斷路器改造，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器柜整體更換，而引起的中性點(diǎn)變壓器接地電阻、接地變二次側(cè)電流互感器參數(shù)發(fā)生變化，探討了對定子接地保護(hù)的重新整定過程以及在現(xiàn)場的調(diào)試方法，試驗結(jié)果表明該套保護(hù)定值能夠準(zhǔn)確測量一定阻值范圍內(nèi)的接地過渡電阻，完全滿足工程需要。